一种基于液压传感器的雨量计*

2013-06-30张秀再

计量技术 2013年4期

张秀再

（南京信息工程大学电子与信息工程学院，南京信息工程大学江苏省气象传感网技术工程中心，南京信息工程大学江苏省气象探测与信息处理重点实验室，南京210044）

一种基于液压传感器的雨量计*

张秀再

为改善目前雨量测量的方法和手段，本文设计了一种基于单片机AT89S52的液压传感器雨量计。采用液压传感器作为测量器件，将液压传感器所测压强减去大气压强求出一定高度雨水产生的压强，根据重力加速度可以计算出被测雨水的高度。该系统测量精度较高，容易实现，具有一定的参考价值。

雨量测量；AT89S52；液压传感器

0 引言

降水量是用来衡量降雨多少的一个概念，是衡量某一个地区在某段时间内降雨多少的数据量［1］。目前，气象、水文部门使用的雨量计一般多为虹吸式雨量计或者是翻斗式雨量计。虹吸式雨量计由于虹吸过程中的降雨一并流失，所以产生流失误差，并且降雨强度越大，误差越大。由于测量装置没有电信号接口，所以无法进行自动测量和数据实时处理。翻斗式雨量计通过来回翻动两个平衡的翻斗来记录降水量，这种测雨方法操作简单，但存在小雨无反应，大雨、暴雨时误差值大的问题。因为强降水时，翻斗来回翻动的频率太大，而每次翻动翻斗内都残存一点水，翻动次数越多，误差越大，且使用维护麻烦［2］。

针对虹吸式和翻斗式雨量计存在的问题［3］，为了减少蒸发和防止流失、渗透造成的雨量测量误差，本文设计了一种以单片机为核心基于液压传感器的雨量计，其特点是测量精度较高，实现成本较低，能在任何雨强大小的情况下实现对雨量的自动、准确测量，并且可以通过单片机将数据记录保存和通信传输。

1 液压传感器测量原理

液压传感器利用半导体材料硅压阻效应的测量原理［4］，当液压传感器置入到容器内被测雨水底部时，传感器所承受的压强为所在位置大气压与容器内雨水产生的压强之和。假设液压传感器所在位置的大气压为p0，则液压传感器所测压强p为：

式中：ρ为雨水密度；h为雨水高度；g为当地重力加速度。

由式（1）可以推算得到雨水高度h，即降雨量为：

通过间隔一定时间连续两次测量的降雨量可以计算出某时间段的雨强［5］。图1所示为液压传感器测量降雨量的示意图。

图1 液压传感器测量降雨量的示意图

2 测量装置设计

雨量测量装置如图2所示。在降雨过程中，首先雨水进入集雨器3，集雨口4收集雨水。然后，雨水通过进水阀门5流入到测量筒6的左筒，并通过连通口9流入测量筒6的右筒，左右筒内的液面高度保持相等。左筒底部因雨水下冲会增加底部受压而右筒液面能够保持平静，可以避免因雨水下流的冲力影响测量结果，带来测量误差。测量筒6右筒的上端有出气口8，可以使筒内外的空气流通，并且在必要时刻可以作为溢水口。出气口8安装在测量筒6右筒上端离底部200mm的警戒线以上位置。测量筒6右筒顶部封闭可以减少蒸发量。测量筒6右筒底部的液压传感器将测量的水压传输给单片机，单片机根据水压与水深成正比的关系来计算雨水高度。因集雨口面积和测量筒双筒底面的面积比为10：1，则实际雨量是直接测量雨水高度的0.1倍，而误差也是测量误差的0.1倍。而且，通过间隔一定时间连续两次测量的降雨量可以计算出某时间段的雨强。

图2 测量装置结构示意图

进水阀门5和放水阀门11均为电磁阀门。其主要工作为：系统开始运作时，放水阀门11关闭，进水阀门5开启，进入正常的测量；当测量筒内的雨水高度达到200mm警戒线时，单片机通过电路控制进水阀门5关闭，然后放水阀门11开启，进入放水阶段。此时，雨水保持在集雨器内不会造成流失误差。放水完毕之后，放水阀门11关闭，进水阀门5开启，进入正常测量阶段。

3 硬件电路

3.1 硬件结构图

硬件电路以AT89S52单片机为主控制器，还包括液压传感器测量模块、A／D转换模块、阀门控制模块、键盘和显示模块。雨量计硬件电路结构图如图3所示。

图3 雨量计硬件结构图

3.2 人机通讯

人机通讯包括键盘扫描、LCD、蜂鸣报警三部分，键盘采用4×4矩阵扫描键盘，可以设置或调整测量系统的测试参数。显示部分采用的是LCD1602液晶，蜂鸣器的作用是当雨量超过设定值时，以鸣笛报警。

4 软件设计

系统软件开发平台为WinAVR，开发语言为C语言。为了方便程序调试和提高可靠性，程序设计采用模块化、结构化的程序设计方法。软件设计根据功能模块划分的程序主要有主程序、A／D转换子程序、LCD显示子程序、键盘扫描子程序。

系统初始化后，进入键盘扫描状态，当有按键按下时，执行按键响应，否则单片机控制AD7705进行AD转换，把测量的结果通过计算以后由LCD显示出来。以此不断进行循环对雨量的实时测量。主程序流程图如图4所示。

5 结论

基于单片机的控制和处理可以实现雨量测量的自动化，单片机自动控制进水阀进水和放水阀放水，可以连续不间断自动测量。双阀门设计可以有效防止雨水流失造成的测量误差。测量筒采用双筒体下连通设计可以有效减小测量筒右筒因进水而造成的液面波动带来的测量误差，整个装置也不存在渗透误差。进水口面积是测量筒底面积的10倍，则实际误差是将超声波的直接测量误差衰减到0.1倍。通过以上设计可以大大提高雨量测量的精度。